Speciale

Titel: Lyman α Resonansspredning i Unge Galakser
Vejledere: Jesper Sommer-Larsen & Johan Peter Uldall Fynbo
Arbejdsperiode: Januar 2006 – januar 2007

Kort forklaring: Jeg har udviklet en kode (et computerprogram) der simulerer, hvordan galakser ser ud.

Motivation

Lyman α linien (λ = 1216 Å, svarende til energiforskellen mellem hydrogens grund- og første exciterede tilstand) er en meget vigtig kilde til information i en bred vifte af felter inden for astrofysik, ikke mindst ifm. galaksedannelse, hvor den kan fortælle os om rødforskydning, dynamik, kinematik, morfologi, osv. Dvs. alt hvad man kunne tænke sig at vide om galakser; hvordan de dannes og udvikles, hvad de består af, hvorfor de ser så seje ud, hvordan de fungerer og alt sådan noget.

Observationer af unge galakser og proto-galakser (dvs. galakser ved rødforskydning højere end z ∼ 3, svarende til et par milliarder år efter Big Bang) viser, at de ofte er væsentlig mere udbredte på himlen når de observeres i Lyα, end når de observeres ved andre bølgelængder ("kontinuumsbåndene"). For at opnå en bedre forståelse af galaksedannelseprocesser og de fysiske forhold der hersker i disse epoker, ønskede vi at undersøge, om resonansspredning af den emitterede Lyα i den omkringliggende gas kan forklare disse observationer.
Billede (kort over overfladelysstyrken, SB) af galaksen LEGO2138_29, taget i hhv. i Lyα (venstre) og rødt lys ("R-bånd"; højre).
Observationer af Fynbo et al. (2003).

Profilen af SB for de to, hvor x-aksen viser afstand fra centrum af galaksen i kpc (1 kpc = 1 kilo-parsec ∼ 3260 lysår).

Projekt

Med dette for øje har jeg udviklet en 3D, højopløsnings- numerisk kode (dvs. et computerprogram), der er i stand til at behandle en vilkårlig fordeling af Lyα-udsendelsen, tæthed af neutral hydrogen, samt hastighedsfelt af det interstellare medium. Dvs. at jeg ikke er begrænset til at undersøge idealiserede tilfælde som f.eks. en Lyα-punktkilde i en kuglerunde galakse med uniform tæthed og temperatur af stillestående gas, men kan foretage beregninger på realistiske konfigurationer, f.eks. en computersimuleret galakse, hvor gassen generelt hvirvler kaotisk rundt, Lyα-lyset udsendes med forskellig intensitet far forskellige områder, og som har gastætheder der spænder fra omtrent en hundredmilliontedel atomer/cm3 til 1000 atomer/cm3, samt temperaturer fra et par 1000 grader til 100 millioner af grader.

Koden er en såkaldt Monte Carlo kode, dvs. den følger de individuelle Lyα-fotoner (lyspartikler) mens de spredes tilfældigt ud igennem gassen — samtidig med at de ændrer frekvens — indtil de undslipper galaksen og kan bevæge sig frit mod en virtuel observatør. På denne måde opnås et detaljeret kort over galaksens overfladelysstyrke (dvs. et billede af hvordan galaksen ser ud), samt et spektrum af strålingen (dvs. fordelingen i frekvens).

Al relevant kvantemekanik, der indgår i spredningsprocesserne, bliver taget hensyn til. Koden er blevet grundigt testet på forskellige idealiserede konfigurationer, for hvilke analytiske løsninger er tilgængelige (dvs. de kan regnes ud med en blyant og bagsiden af en konvolut; altså ingen computer).

Resultater

Koden blev anvendt på en simuleret Lyman-break galakse ved z = 3.6 (1.8 mia. år efter Big Bang) af repræsentative fysiske egenskaber (den udvikler sig til en Mælkevejsagtig galakse ved z = 0, altså nutiden), resulterende fra en fuldt kosmologisk smoothed particle hydrodynamics kode. Det viste sig, at den rette behandling af strålingstransporten kan reproducere observationerne på smukkeste vis. Jeg undersøgte, hvad det har at sige for observationerne, hvis den samme galakse observeres fra forskellige vinkler, samt muligheden for at bestemme forskellige fysiske parametre for galaksesystemer ved at kigge på overfladelysstyrke og spektrum (som f.eks. temperaturer, tætheder, hastigheder og klumpethed af gassen).

For en populærvidenskabenlig artikel om mit speciale, klik her.

For en mere gennemgående beskrivelse af projektet, koden og resulaterne, se Laursen & Sommer (2007) og Laursen et al. (2008). Du kan også downloade mit speciale her:
MScThesis.pdf (23 Mb)
MScThesis.ps.bz2 (7 Mb)
MScThesis.ppt (4.7 Mb, powerpoint fra mit specialekollokvium)
Billede af den simulerede galakse som den ville se ud hvis man ikke tager resonansspredning med i beregningerne (øverst), og som den ser ud når man gør (nederst); tydeligvis meget mere udbredt. Her vises to forskellige synsvinkler — fra siden (venstre kolonne) og oppefra (højre).

SB-profilen (stiplet) for de to synsvinkler sammenlignet med observationerne. For en mere realistisk sammenligning vises med sort ikke-stiplet hvordan det ville se ud, når man tager i betragtning, at Jorden atmosfære "udtværer" billedet lidt (seeing = 0.8"). Især SB-profilen set fra siden (altså det venstre billede) smyger sig smukt op ad den observerede Lyα-profil (blå).